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第10章 发动机起动系统收藏
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第10章 发动机起动系统
内容提要
1. 起动系的作用、方式和基本组成
2. 电起动机的构和工作原理
3. 减速起动机与永磁起动机
4. 低温起动预热装置 |
10.1 起动系作用、方式和基本组成
10.1.1 起动系的作用
发动机靠外力转动使之着火燃烧，开始运转的过程称为起动。
要使发动机顺利起动，必需克服运转阻力，尤其是压缩行程的压缩气体阻力和各运动件的摩擦阻力。克服这些阻力所需的转矩称为起动转矩。柴油机压缩比较汽油机大得多，起动更困难，需要的起动转矩也更大。
起动发动机时，还要求有一定的曲轴转速，称之为起动转速。汽油机要求不低于50-70r/min，柴油机要求不低于150-300 r/min。
起动性能是发动机的一个重要指标，衡量发动机起动性能好坏一般用起动时间。我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在-10℃、柴油机在-5℃以下的气温条件下起动，能在15s以内达到自行运转。
起动系的作用就是按发动机要求，提供一定的转矩，使发动机达到规定的转速，顺利完成起动过程。
10.1.2 发动机起动方式
有手起动、电起动、汽油机起动、压缩空气起动和拖动等几种方式。
手起动是用手转动发动机曲轴的起动方式。其结构简单，但起动转矩小，转速低，增加劳动强度。一般只用于小功率发动机。
汽油机起动是利用小型汽油机带动曲轴旋转的起动方式。其结构复杂，起动麻烦，一般是先用手起动小型汽油机，再带动主发动机起动。它一般用于大功率柴油机起动。
压缩空气起动是利用压缩空气按一定次序充入气缸，强制发动机曲轴旋转的起动方式。它结构庞大、复杂，一般用大型柴油机组（如船舶、电站等）。
电起动是利用电动机带动发动机曲轴旋转的起动方式。它具有起动快捷方便、省力等优点，但需要一套电起动系统。现代汽车用发动机，均采用电起动方式。
除上述外，还有拖动起动方式，即利用旋转动力机构，拖动内燃机曲轴旋转的起动方式。
10.1.3 电起动系的基本组成与工作过程
电起动系主要由蓄电池、起动机、起动继电器、点火开关、安全开关(有的汽车采用)、低温起动预热装置等组成（图10-1）。图中粗线表示起动机供电电路，细线表示起动机控制电路。
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图10-1 电起动系统
1-蓄电池 2-起动机 3-起动继电器 4-点火开关 5-电流表 |
10.2
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图10-2 起动机结构
1-回位弹簧 2-保持线圈 3-吸引线圈 4-电磁开关壳体 5-主触点 6-接线柱 7-接触盘 8-后端盖 9-电刷弹簧 10-换向器 11-电刷 12-磁极 13-磁极铁芯 14-电枢 15-磁场绕组 16-移动衬套 17-缓冲弹簧 18-单向离合器 19-电枢轴花键 20-驱动齿轮 21-罩盖 22-制动盘 23-传动套筒 24-拨叉 |
起动机的作用是将蓄电池的电能转换成机械能以起动发动机。它一般由直流电动机、控制装置和传动机构三部分组成（图10-2）。
10.2 1 直流电动机
1.直流电动机基本工作原理
直流电动机是将电能转变为机械能的设备，它是根据通电导体在磁场中将受到电磁力作用而产生运动的原理进行工作的。
以单匝电枢绕组的直流电动机为例说明其工作
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图10-3 直流电动机工作原理
a）电流从A→B b）电流从B→A
1-电枢绕组 2-电刷B 3-换向器铜片 4-电刷A |
直流电动机的电磁转矩M可用下式表示：
M=CmφIs
式中 Cm——电机结构常数，Cm=PN/2πα；
P——磁极对数；
N——电枢导线总根数；
α——电枢绕组的并联支路对数；
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图10-4 电枢总成
1-电枢叠片 2-电枢铁芯 3-电枢轴 4-电枢绕组 5-电枢铁芯总成 6-换向器 |
Is——电枢电流。
由上分析可知，直流电动机能通过增加磁极对数、增多电枢导线总根数和并联支路对数、增大电枢和磁场电流来增大电磁转矩。实际的直流电动机电枢都用多匝并联绕成，电枢电流和磁场电流也很大（起动电流达600A以上），使起动机有足够转矩起动发动机。
2.直流电动机的构造 它一般由电枢总成、磁极、电刷与刷架及其它附件组成。
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图10-5 磁场绕组的连接
a)串连连接 b)并联连接
1-绝缘接线柱 2-换向器 3-搭铁电刷 4 -绝缘电刷 5-磁场绕组 |
(2)磁极 磁极有永久磁铁和电磁铁两类，永久磁铁的电动机将在后介绍。电磁铁磁极由铸钢铁芯及励磁绕组构成（图10-5），固定在起动机壳体的内壁上。为了产生足够强的磁场来使电枢产生足够的起动转矩，磁极的数量一般为两对，功率较大的起动机也有采用三对的。励磁绕组也采用大截面的铜导线制成。
4个磁场绕组的连接方法有串连和并联两种。无论采用何种连接，其产生的磁极须相互交错。
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图10-6 电动机的串励、并励与复励
a) 串励 b) 并励 c)复励
1-励磁绕组 2-电枢绕组 3-蓄电池 |
(4)壳体及轴承 壳体主要起支承和保护作用。起动机轴承由于结构限制一般采用滑动轴承，用于支承电枢轴。
3.直流电动机电枢与励磁绕组连接 励磁绕组与电枢绕组的接法有三种：串联、并联及串、并联均有的复式接法（图10-6）。相应的电动机称为串励电动机、并励电动机和复励电动机。大多数电动机均采用串励，大功率的起动机也有采用复励。
串励电动机的特点是电枢绕组和励磁绕组串联，电枢电流与励磁电流相等。它具有以下特性：
(1)M=KIs2,式中K为结构常数。即电磁转矩与励磁电流Is的平方成正比，因此供给同样的励磁电流，串励电动机可比并励电动机获得更大的电磁转矩。
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图10-7 滚柱式单向离合器的组成
a）结构 b）工作原理（起动中） c）工作原理（起动后）
1-驱动齿轮 2-单向离合器外壳 3-十字块 4-滚柱 5-弹簧及活柱 6-护盖 7-弹簧座 8-缓冲弹簧 9-移动衬套 10-传动套筒 11-卡簧 12-垫圈 13-楔形槽 14-飞轮 |
10.2.2 传动机构
普通起动机的传动机构主要是单向离合器。其作用是将电动机的动力传递给发动机飞轮以起动发动机，而发动机起动后则断开发动机对起动机的逆向驱动，以防止发动机带动起动机高速旋转而使起动机“飞散”。
起动机中常见的单向离合器有滚柱式、摩擦片式和扭簧式等。
1.滚柱式离合器 它是目前国内外汽车起动机中使用**多的一种传动方式（图10-7），其外壳2与驱动小齿轮2连为一体，十字块3与传动套筒经滑动花键与电枢轴相接，外壳与十字块之间的间隙是宽窄不等的楔形槽结构。
起动时，电枢缓慢旋转，电磁开关通过拨叉，推动衬套9、弹簧8等部件，使驱动齿轮1与发动机飞轮14相啮合。
当起动机主电路接通，电枢快速旋转时，转矩由传动套筒10传到十字块3，滚柱在外壳2摩擦和弹簧5作用下便滚入楔形槽13的窄处被卡死（图10-7b），于是将转矩传给驱动齿轮，带动飞轮使发动机起动。
当发动机起动后，曲轴转速高于起动机，飞轮带动驱动小齿轮旋转，在外壳摩擦作用下，滚柱克服弹簧弹力，滚人楔形槽的宽处而打滑（图10-7c），防止发动机的转矩传给小齿轮，从而避免电枢超速“飞散”的危险。起动后，由于拨叉回位弹簧的作用，使离合器退回，驱动轮退出飞轮齿环。缓冲弹簧8具有缓和驱动齿轮与飞轮间的冲击，保护驱动齿轮的作用。
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图10-8 摩擦式单向离合器
a) 结构 b) 压紧 c) 放松
1-驱动齿轮 2-齿轮柄 3-减振弹簧 4-内接合鼓 5-小弹簧 6-从动片 7-主动片 8-压环 9-弹性圈 10-外接合鼓 11-飞轮 |
2.摩擦片式离合器 离合器的外接合鼓10（图10-8）固定在起动机轴上，内接合鼓4具有螺线孔，并旋在起动机驱动齿轮柄2的螺纹上，齿轮柄2则自由套在起动机轴上，用螺母锁住防止脱落。两个弹性圈9和压环8依次装进外接合鼓10中，青铜主动片7以其外凸齿装入外接合鼓10的切槽中，钢制从动片6依其内齿插入内接合鼓4的切槽中。内接合鼓上的两个弹簧5轻压摩擦片，使摩擦片具有传力作用(力较小)。
起动时，经外接合鼓摩擦片带动内接合鼓转动，驱动小齿轮与飞轮啮合后，由于内接合鼓和驱动小齿轮柄之间的螺旋结构，使得内接合鼓向右移动，压紧摩擦片(力较大)，电枢的转矩传递给飞轮（图10-8b）。起动后，飞轮带动驱动小齿轮，内接合鼓与驱动小齿轮的螺旋结构，使得内接合鼓向左移动，摩擦片松开，飞轮不能带动电枢，避免了电枢超速“飞散”的危险（图10-8c）。
摩擦片式离合器可以传递较大的转矩，但结构复杂，摩擦片磨损后，需经常检修调整，常用在电枢移动式起动机上。
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图10-9 扭簧式单向离合器
1-驱动齿轮 2-挡圈 3-月形圈 4-扭力弹簧 5-护圈 6-连接套筒 7-垫圈
8-缓冲弹簧 9-拨环 19-卡簧 |
起动时，电磁开关铁心经拨叉移动拨环9，由缓冲弹簧8推动离合器使驱动齿轮1与发动机飞轮啮合。电枢旋转时，通过花键带动连接套筒6，在弹簧与驱动齿轮和主动套筒之间摩擦力作用下，将连接套筒和齿轮柄抱死，电枢转矩便由此传给飞轮，起动后，飞轮带动驱动齿轮，扭力弹簧被放松而打滑，保护电枢不致被飞轮带动而“飞散”，同时拨叉在回位弹簧作用下，经拨环使驱动小齿轮回位。
扭簧式离合器结构简单，使用寿命长，但轴向尺寸较大，故在小型机上的应用受到限制。
10.2.3 控制装置
起动机的控制装置一般是电磁开关，有的还采用了一些中间继电器。
1.电磁开关 它安装于直流电动机壳体上方（图10-10），用于控制起动机驱动齿轮与发动机飞轮的啮合与分离及电动机电路的通断。吸引线圈5与保持线圈4的匝数相同，绕向也相同，都绕在套筒外侧。吸引线圈与电动机串联，保持线圈与电动机并联。
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图10-10 电磁开关
1-起动开关 2-定触点 3-动触点 4-保持线圈 5-吸引线圈 6-动铁芯 7-拉杆 8-拨叉 9-单向离合器 10-驱动齿轮 11-电枢 12-电刷 13-磁极 |
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图10-11 起动继电器控制的起动机电路
1-起动继电器 2-起动机 3-蓄电池接线柱 4-动触点 5-吸引线圈 6-保持线圈 7-铁芯 8-拨叉 9-驱动齿轮 10-起动机接线柱 11-起动开关 12-起动继电器触点 13-起动继电器线圈 |
发动机起动后，从起动开关到保持线圈的电流被切断，但在断开起动开关的瞬间，触点仍在闭合位置，电流从触点到吸引线圈，再经保持线圈搭铁。这时，两线圈产生的电磁力大小相同，方向相反，相互抵消。在回位弹簧的作用下，铁芯返回原位，触点断开，起动机因断电而停转，同时驱动齿轮退回。
2.起动继电器 为了产生足够的吸力，起动机电磁开关的电流较大(一般为35～40A)，如此大的电流会影响起动开关的寿命，同时也不安全。为此，有些汽车在控制电路中装有起动继电器，由起动继电器触点的开闭控制电磁开关的通断，而起动开关(或点火开关)只控制起动继电器线圈电路的通断，因而减小了起动开关(或点火开关)的通过的电流。控制电路如图10-11所示。
起动时，接通起动开关，起动继电器线圈13通电，触点12闭合，起动机电磁开关被接通，起动机工作。
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图10-12 CA1091汽车起动机保护电路
1-组合继电器 2-发电机 3-起动机 4-点火开关 5-充电指示灯 |
不同的车型的起动保护电路可能不同，但大都采用汽车发电机中点电压来进行控制。图10-12为CA1091汽车的起动保护电路。起动组合继电器1是由起动继电器和充电指示控制继电器组合而成。起动继电器的线圈L1通过充电指示灯继电器触点K2搭铁，使之具有驱动保护作用。K2同时是充电指示灯5的搭铁通路，用于指示充电是否正常，其通断由发电机中点电压来控制。
起动时，点火开关置于起动档时，充电指示灯亮，组合继电器中的起动继电器L1通电，其电路为：蓄电池正极→起动机电源接线柱→电流表→点火开关→“SW” →线圈L1→触点K2→“E”搭铁→蓄电池负极。起动机线圈L1通电，使触点K1闭合，接通起动机电磁开关电路，起动机通电工作。
起动后，发电机正常发电，其中点电压使L2无电，K2断开，起动继电器线圈L1断电，其触点K1断开， 起动机电磁开关断电，起动机停止工作。
发动机工作时，即使点火开关误拨至起动档，由于发电机中点电压的作用而使充电指示灯继电器触点保持K2断开，因此起动机也不会通电工作。
10.3 减速起动机与永磁起动机
10.3.1 减速起动机
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图10-13 减速起动机的类型
a) 外啮合式 b)内啮合式 c)行星齿轮式
1-驱动齿轮 2-减速机构从动齿轮及单向离合器 3-惰轮 4-减速机构主动齿轮 5-电枢 6-电磁开关 7-单向离合器 8-拨叉 9-减速机构从动齿轮 10-行星齿轮减速机构 |
减速齿轮有外啮合式、内啮合式和行星齿轮式三种(图10-13 )。
1.外啮合式 外啮合式减速起动机有的用惰轮作为过渡传动，电磁开关铁芯与驱动齿轮同轴，直接推动驱动齿轮进入啮合，无须拨叉(图10-14)。也有一些外啮合式减速机构不设惰轮，驱动齿轮进入啮合通过拨叉来拨动,图10-15所示是丰田皇冠轿车用的外啮合式起动机。
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图10-14 外啮合式减速起动机(有惰轮、无拨叉)
1-后端盖 2-电刷架 3-定子总成 4-电枢总成 5-减速机构主动齿轮 6-惰轮 7-螺栓 8-驱动端盖 9-驱动齿轮 10-减速机构从动齿轮及单向离合器 11-钢球 12-回位弹簧 13-电磁开关 14-直流电动机 15-螺栓 16-毡圈 |
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图10-15 外啮合式减速起动机(无惰轮、有拨叉)
1-电磁开关 2-活动铁芯 3-拨叉 4-驱动齿轮 5-单向离合器 6-从动齿轮轴 7-减速机构从动齿轮 8-外壳 9-电枢 10-励磁绕组 11-磁场绕组 12-蓄电池接线柱 13-换向器 |
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图10-17 DW-1型行星齿轮式减速起动机
1-电刷 2-滚珠轴承 3-换向器 4-导线插头 5-电磁开关 6-永久磁铁磁极 7-拨叉 8-行星减速齿轮 9-驱动齿轮 10-轴承 11-单向离合器 12-电枢总成 13-行星齿轮 14-主动齿轮(太阳轮) 15-齿圈 16-拨叉环 |
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图10-16 内啮合式减速起动机
1-起动开关 2-起动继电器线圈 3-起动继电器触点 4-电磁开关主触点 5-接触盘 6-吸引线圈 7-保持线圈 8-活动铁芯 9-拨叉 10-单向离合器 11-螺旋花键轴
12-内啮合减速齿轮 13-主动齿轮 14-电枢 15-磁场绕组 |
3.行星齿轮式 行星齿轮传动具有结构紧凑、传动比大、效率高的特点。图10-17所示为德国Bosch公司生产的DW-1型行星齿轮式减速起动机(永磁式)。
减速起动机除在电枢与驱动齿轮间增加一级减速齿轮，以起减速增扭作用外，其它工作原理与普通起动机类似。
10.3.2 永磁起动机
定子磁场采用永磁体的起动机称永磁起动机。起动机的其他部分结构基本不变。永磁体材料主要有锶铁氧体和钕铁硼材料。
永磁式起动机主要有如下性能特点：
因磁力来源于永磁材料做的磁瓦，磁场稳定，是一种他励直流电动机。工作特性与并励电动机相近，一般多用作小功率起动机。
因为这种电动机为他励，所以空载转速小，使用安全性较串励电动机好。
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图10-18 永磁减速起动机内部结构及电气连接原理图
1- 驱动齿轮 2-飞轮齿圈 3-单向离合器 4-传动拨叉 5-行星齿轮减速器
6-永久磁铁 7-电枢 8-换向器及炭刷 9-电磁开关 10-起动开关 11-蓄电池 |
现在轿车所用的永磁式起动机通常与减速器结合使用，永磁式减速起动机体积和重量指标都更好。
图10-18为捷达轿车所用的永磁式减速起动机结构示意和电气连接图。
由图可见，永磁起动机除用永久磁铁6作为磁极外，其它结构特点与行星齿轮减速起动机类似。
10.4 低温起动与预热
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图10-19 电热塞
1-固定螺母 2-中心螺杆 3-胶合剂 4-绝缘体 5-垫圈 6-外壳 7-密封垫圈 8-填充剂 9-电阻丝 10-发热体钢套 |
10.4.1 预热空气
目前普遍使用的发动机预热方法是采用预热装置，对进入发动机的空气进行预热。常见的预热装置有电热塞、热敏电阻预热器和电火焰预热器。
1.电热塞 现代汽车发动机多采用封闭式电热塞(图10-19)，安装于燃烧室内。螺旋形电阻丝9焊于中心螺杆2与发热体钢套10底部，电阻丝周围充填有绝缘的氧化铝填充剂8，中心螺杆与外壳绝缘，外壳带密封圈装于气缸盖上。
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图10-20 热敏电阻预热器
1-陶瓷热敏电阻加热器 2-铝合金散热柱 3-密封圈 4-密封垫 5-进气支管 |
2. 热敏电阻预热器 它安装在进气支管总入口处(图10-20)，由安装在发动机冷却液出口处的预热温度开关控制。当起动温度低于一定值时，预热温度开关控制接通电路，陶瓷热敏电阻通电升温，加热进入器缸的空气。
3. 电火焰预热器 柴油机由于压缩比大，起动更困难，常采用电火焰预热器（图10-21），其阀体2是用线胀系数较大的金属材料制成。阀体的内部有空腔，其一端有进油孔1，另一端有内螺纹。在预热器不工作时，阀芯3的锥形尖端将进油孔1阻死，阀的另一端有外螺纹旋在阀体2的内腔中。阀体2的外部绕有用镍铬丝制成的电阻丝4。
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图10-21 电火焰预热器
1-油孔 2-阀体 3-阀心 4-电阻丝 5-蓄电池 6-开关 |
10.4.2 预热机油和冷却水
可以采用外部加热方法，将机油和冷却水加热到一定温度，再加入发动机，可以有效改善起动性能。
也可以采用电热丝等发热元件，直接插入油底壳或散热器，加热机油和冷却水。
一些重型汽车，还采用起动预热锅炉对冷却水和机油进行加热。
10.4.3 喷起动液
起动液由容易着火燃烧的燃料（乙醚、丙酮、石油醚等）组成，与压缩气体氮气一起储藏在专用喷射罐内（有商品出售）。使用时，取下空气滤清器（有的发动机设有起动液喷嘴），将喷射罐出口对准进气管，轻压喷射罐单向阀，起动液喷出，随空气进入气缸，迅速着火燃烧，起动发动机。
10.4.4 减压起动
一些柴油机设有起动减压装置（一般是顶压排气门机构），使部分或全部气缸在起动时先与大气相通，不受压缩，减少起动力矩。待发动机转速高达一定值时，再撤除减压，利用活塞连杆组和曲轴飞轮组的运动惯性，使发动机起动。
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本章小结
2. 起动系主要包括蓄电池、起动机、起动继电器、点火开关、安全开关(有的汽车采用)、低温起动预热装置等。
3. 发动机起动有手起动、电起动、汽油机起动、压缩空气起动和拖动等几种方式。现代汽车用发动机，均采用电起动方式。
4. 电起动机的作用是将蓄电池的电能转换成机械能以起动发动机。起动机一般由直流电动机、控制装置和传动机构组成。
5. 直流电动机是将电能转变为机械能的设备，它是根据通电导体在磁场中将受到电磁力作用而产生运动的原理进行工作的，其由电枢总成、磁极、电刷与刷架及其它附件组成。根据励磁绕组和电枢绕组联接方式分有串励、并励和复励三种方式。
6. 普通起动机的传动机构主要组成部分是单向离合器。其作用是将电动机的动力传递给发动机飞轮以起动发动机，而发动机起动后则断开发动机对起动机的逆向驱动。常见的单向离合器有滚柱式、摩擦片式及扭簧式。
7. 起动机的控制装置一般是电磁开关，有的还采用了一些中间继电器。其作用是控制起动机驱动齿轮与发动机飞轮的啮合与分离以及电动机电路的通断。为了防止误操作而使起动机损坏，有些汽车的起动系统中采用了起动保护电路。
8. 减速起动机在电枢与驱动齿轮之间装有一级减速齿轮，具有重量轻、体积小、便于安装、起动机的起动转矩提高而有利于发动机起动等优点。
9. 永磁起动机的定子磁场采用永磁体材料，具有磁场稳定，体积小，重量轻，使用安全性好等特点，适用于小功率的起动机。
10. 低温严寒气候，燃料汽化及燃烧困难，机油粘度加大，蓄电池能量下降，造成发动机起动困难。为了确保发动机顺利起动，需要采取相应措施，常见的有预热空气、预热机油、预热冷却水、喷起动液、减压起动等。 |
【复习思考题】
1. 名词解释：起动转矩、起动转速、起动时间、串励电动机、并励电动机、复励电动机。
2. 发动机起动有哪些方式？各有何特点？
3. 起动机由哪三大部分组成？各部分的作用是什么？
4. 电磁开关的作用是什么？吸拉线圈和保持线圈分别起什么作用？
5. 以CA1091汽车起动保护电路为例说明发动机起动后如何防止司机误操作而使起动机以旋转？
6. 单向离合器的作用是什么？滚柱式单向离合器是如何工作的？
7. 减速起动机有何优点？齿轮减速器有几种类型？
8. 永磁起动机有何优点？
9. 改善低温起动的措施有哪些？它们分别是如何工作的？
发表于 @ 2008年06月05日 10:54:00 |点击数（）
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